Теория вероятности. Независимые повторные испытания

Содержание

Слайд 2

Содержание презентации Независимые повторные испытания. Формула Бернулли. Наивероятнейшее число появлений события.

Содержание презентации

Независимые повторные испытания.
Формула Бернулли.
Наивероятнейшее число появлений события.
Локальная теорема Лапласа.
Интегральная теорема

Лапласа.
Формула Пуассона.
Независимые повторные испытания. Схема.
Слайд 3

Независимые повторные испытания.

Независимые повторные испытания.

Слайд 4

Независимые повторные испытания. Если производится несколько испытаний, причем вероятность события А

Независимые повторные испытания.

Если производится несколько испытаний, причем вероятность события А в

каждом испытании не зависит от исходов других испытаний, то такие испытания называют независимыми повторными испытаниями.
В разных независимых испытаниях событие А может иметь либо различные вероятности, либо одну и ту же вероятность. Будем далее рассматривать лишь такие независимые испытания, в которых событие А имеет одну и ту же вероятность.
Слайд 5

Независимые повторные испытания. Примеры: Подбрасываем игральный кубик n раз. Выпадение числа

Независимые повторные испытания.

Примеры:
Подбрасываем игральный кубик n раз. Выпадение числа очков

от 1 до 6 происходит с вероятностью 1/6 в каждом из испытаний;
Приобретаем n лотерейных билетов. Для каждого из лотерейных билетов вероятность выигрыша есть величина постоянная;
Подбрасывается n раз монета. Выпадение орла или решки происходит с вероятностью ½ в каждом испытании.
Пример 1 и примеры 2,3 отличаются друг от друга тем, что в первом примере возможно появление 6-ти событий, а во втором и третьем – появление только 2-х событий: выиграл - не выиграл, орел – решка, т.е. условно можно назвать такие исходы «успех – неуспех». Такие испытания называются испытаниями Бернулли.
Слайд 6

Независимые повторные испытания. Независимые повторные испытания, в каждом из которых возможно

Независимые повторные испытания.

Независимые повторные испытания, в каждом из которых возможно

появление события А (успех) с постоянной вероятностью p или непоявление события А (неуспех) с постоянной вероятностью q=1-p, называются испытаниями Бернулли или схемой Бернулли.

Швейцарский математик Якоб Бернулли (1654-1705).

Слайд 7

Независимые повторные испытания. Формула Бернулли.

Независимые повторные испытания.

Формула Бернулли.

Слайд 8

Формула Бернулли. Пусть производится n испытаний Бернулли. Вероятность того, что в

Формула Бернулли.

Пусть производится n испытаний Бернулли. Вероятность того, что в этих

испытаниях событие А произойдет ровно m раз можно найти по формуле Бернулли:
n – число испытаний
p – вероятность появления события А в одном испытании
q - вероятность непоявления события А в одном испытании
Рn(m) – вероятность того, что событие А появится ровно m раз в n испытаниях
Слайд 9

Формула Бернулли. Пример. Вероятность того, что расход электроэнергии в продолжении суток

Формула Бернулли.

Пример. Вероятность того, что расход электроэнергии в продолжении суток не

превысит установленной нормы, равна 0,75. Найти вероятность того, что в ближайшую неделю расход электроэнергии в течении четырех суток не превысит норму.
Решение. Обозначим А- расход не превысит норму.
По условию n = 7, m = 4, p = P(A) = 0.75.
По формуле Бернулли:
Ответ: вероятность того, что в ближайшую неделю расход электроэнергии в течении четырех суток не превысит норму равна 0,1969
Слайд 10

Формула Бернулли Пример. Два равносильных шахматиста играют в шахматы. Что вероятнее:

Формула Бернулли

Пример. Два равносильных шахматиста играют в шахматы. Что вероятнее: выиграть

одному из них 2 партии из 4-х или 3 партии из 6-ти?

Решение.
Найдем вероятность выиграть одному из них 2 партии из 4-х:
n=4, m=2, p=1/2, q=1/2. По формуле Бернулли:

2) Найдем вероятность выиграть одному из них 3 партии из 6-ти:
n=6, m=4, p=1/2, q=1/2. По формуле Бернулли:

Сравним полученные результаты: т.к. 3/8 > 5/16, то вероятнее выиграть одному из них 2 партии из 4-х.

Слайд 11

Формула Бернулли Пример. Исследование инкубации яиц яичного кросса Беларусь-9 показало, что

Формула Бернулли

Пример. Исследование инкубации яиц яичного кросса Беларусь-9 показало, что цыплята

выводятся в среднем из 70% заложенных в инкубатор яиц. Из общего количества заложенных в инкубатор яиц случайным образом отобраны и помечены 6. Найти вероятность того, что из помеченных яиц выведутся:
менее трех цыплят P6(m < 3) ;
более трех цыплят P6(m > 3) ;
не менее трех цыплят P6(m ≥ 3) ;
не более трех цыплят P6(m ≤ 3);

(0,07047)

(0,74431)

(0,92953)

(0,25569)

Слайд 12

Формула Бернулли Пример. Две электрические лампочки включены в цепь параллельно. Вероятность

Формула Бернулли

Пример. Две электрические лампочки включены в цепь параллельно. Вероятность того,

что при некотором повышении напряжения в цепи выше номинального перегорит только одна лампочка, равна 0,18. найти вероятности перегореть для каждой из этих лампочек, если известно, что эти вероятности превосходят 0,7 и равны между собой.
Решение. Испытание состоит в проверке работы электрической лампочки. Общее число испытаний n = 2.
А – при повышении напряжения лампочка не перегорит.
По условию P2(1)=0,18.
Требуется найти вероятность р наступления события А в каждом испытании.
Это уравнение имеет два корня: р=0,9 и р=0,7. По условию р > 0,7. Поэтому р=0,7 не удовлетворяет условию задачи.
Ответ: Вероятность того, что каждая из лампочек не перегорит р=0,9.
Слайд 13

Независимые повторные испытания. Наивероятнейшее число появлений события.

Независимые повторные испытания.

Наивероятнейшее число появлений события.

Слайд 14

Наивероятнейшее число появлений события. Пример. Вероятность изготовления на автоматическом станке стандартной

Наивероятнейшее число появлений события.

Пример. Вероятность изготовления на автоматическом станке стандартной детали

равна 0,8. Найти вероятности возможного числа появления бракованных деталей среди 5 отобранных.
Решение. Вероятность изготовления бракованной детали
Р = 1 - 0,8 = 0,2.
Искомые вероятности находим по формуле Бернулли:
P5(0)=0,32768; P5(3)=0,0512;
P5(1)=0,4096; P5(4)=0,0064;
P5(2)=0,2048; P5(5)=0,00032.
Полученные вероятности изобразим графически точками с координатами (m, Pn(m)). Соединяя эти точки, получим многоугольник, или полигон, распределения вероятностей.
Слайд 15

Наивероятнейшее число появлений события. Рассматривая многоугольник распределения вероятностей мы видим, что

Наивероятнейшее число появлений события.

Рассматривая многоугольник распределения вероятностей мы видим, что есть

такие значения m (в данном случае, одно - m0=1), обладающие наибольшей вероятностью Рn(m).

0,1

0,2

0,3

0,4

1

2

3

4

5

m

0

Pn(m)

Слайд 16

Наивероятнейшее число появлений события. Число m0 наступления события А в n

Наивероятнейшее число появлений события.

Число m0 наступления события А в n независимых

испытаниях называется наивероятнейшим, если вероятность осуществления этого события Рn(m0) по крайней мере не меньше вероятностей других событий Рn(m) при любом m.
Для нахождения m0 используется двойное неравенство:
n • p - q ≤ m0 ≤ n • p + p
Слайд 17

Наивероятнейшее число появлений события. Так как наивероятнейшее число может быть только

Наивероятнейшее число появлений события.

Так как наивероятнейшее число может быть только

целым, то:
Если границы дробные, то m0 может принимать только одно значение;
Если границы целые, то m0 может принимать два значения, равные граничным. Тогда для определения наивероятнейшего числа нужно сравнить вероятности на границах.
Слайд 18

Наивероятнейшее число появлений события. Пример. В результате многолетних наблюдений вероятность дождя

Наивероятнейшее число появлений события.

Пример. В результате многолетних наблюдений вероятность дождя

21 июля в городе N составляет 0,3. Найти наивероятнейшее число дождливых дней 21 июля на ближайшие 30 лет.
Решение. По условию: p=0.3, q=0.7, n=30.
n∙p - q ≤ m0 ≤ n∙p + p
0.3∙30 – 0.7 ≤ m0 ≤ 0.3∙30 + 0.3
8.3 ≤ m0 ≤ 9.3
m0 = 9
Ответ: наивероятнейшее число дождливых дней 21 июля на ближайшие 30 лет равно 9.
Т.е. вероятнее всего 9 раз за 30 лет 21 июля будет дождливым.
Слайд 19

Наивероятнейшее число появлений события. Пример. Сколько раз необходимо подбросить игральную кость,

Наивероятнейшее число появлений события.

Пример. Сколько раз необходимо подбросить игральную кость, чтобы

наивероятнейшее выпадение тройки было равно 10?
Решение. По условию: p=1/6, q=5/6, m0 = 10.
n∙p-q ≤ m0 ≤ n∙p+p
n∙1/6 – 5/6 ≤ 10 ≤ n∙1/6 + 1/6 (умножим на 6)
n -5 ≤ 60 ≤ n +1 (запишем в виде двух неравенств)
n -5 ≤ 60 n ≤ 65
n+1 ≥ 60 n ≥ 59
Следовательно, 59 ≤ n ≤ 65.
Ответ: чтобы наивероятнейшее выпадение тройки было равно 10, игральную кость необходимо подбросить 59, 60, 61, 62, 63, 64 или 65 раз.
Слайд 20

Наивероятнейшее число появлений события. Задача 1. Склады семенного картофеля перед посадкой

Наивероятнейшее число появлений события.

Задача 1. Склады семенного картофеля перед посадкой

проверяют на отсутствие очагов гниения. В проверенном складе оказалось 20% клубней с пятнами. Найти:
наивероятнейшее число клубней без пятен среди 9 клубней, отобранных случайным образом;
вероятность наивероятнейшего числа клубней без пятен.
Задача 2. Вероятность появления события А в каждом из n независимых испытаний равно 0,7. Сколько таких испытаний нужно произвести, чтобы наивероятнейшее число появления события А в этих испытаниях было бы равно 20?
3. Учебник стр. 66 №1.61.

(m0=7 и m0=8)

( P9(8) = P9(7) ≈ 0.3020 )

( 28 или 29 испытаний)

Слайд 21

Независимые повторные испытания. Домашнее задание Вероятность выиграть по одному билету лотереи

Независимые повторные испытания.

Домашнее задание
Вероятность выиграть по одному билету лотереи равна

1/7. Какова вероятность, имея 7 билетов, выиграть:
по двум билетам;
по трем билетам?
На некотором поле повреждены гербицидами 15% растений мяты рассадной посадки. Найти наивероятнейшее число поврежденных гербицидами растений мяты среди 20 растений, отобранных с этого поля случайным образом.
Учебник стр. 66 №1.61.
Слайд 22

Независимые повторные испытания. Локальная теорема Лапласа.

Независимые повторные испытания.

Локальная теорема Лапласа.

Слайд 23

Локальная теорема Лапласа. Пользоваться формулой Бернулли при больших значениях n достаточно

Локальная теорема Лапласа.

Пользоваться формулой Бернулли при больших значениях n достаточно трудно,

так как формула требует выполнения действий над громадными числами. Например, если
n = 50, m = 30, р=0,1, то для отыскания вероятности P30(50) надо вычислить выражение
Нельзя ли вычислить интересующую нас вероятность, не прибегая к формуле Бернулли? Оказывается, можно. Локальная теорема Лапласа и дает асимптотическую формулу, которая позволяет приближенно найти вероятность появления события ровно m раз в n испытаниях, если число испытаний достаточно велико.
Слайд 24

Локальная теорема Лапласа. Лаплас Пьер Симон (23.03.1749 - 05.03.1827), Нормандия "То,

Локальная теорема Лапласа.

Лаплас Пьер Симон
(23.03.1749 - 05.03.1827), Нормандия
"То, что

мы знаем, так ничтожно по сравнению с тем, что мы не знаем".
Слайд 25

Локальная теорема Лапласа. Локальная теорема Лапласа. Если вероятность р появления события

Локальная теорема Лапласа.

Локальная теорема Лапласа. Если вероятность р появления события А

в каждом испытании постоянна и отлична от нуля и единицы, то вероятность Рn(m) того, что событие А появится в n испытаниях ровно m раз, приближенно равна (тем точнее, чем больше n)
где
Слайд 26

Локальная теорема Лапласа. Замечание. Для частного случая, а именно для р=1/2,

Локальная теорема Лапласа.

Замечание. Для частного случая, а именно для р=1/2, асимптотическая

формула была найдена в 1730 г. Муавром.
В 1783 г. Лаплас обобщил формулу Муавра для произвольного р, отличного от 0 и 1. Поэтому теорему, о которой здесь идет речь, иногда называют теоремой Муавра—Лапласа.

Абрахам де Муавр
(26.05.1667 – 27.11.1754), Франция.
По легенде, Муавр точно предсказал день собственной смерти. Обнаружив, что продолжительность его сна стала увеличиваться в арифметической прогрессии, он легко вычислил, когда она достигнет 24 часов, и, как всегда, не ошибся.

Слайд 27

Локальная теорема Лапласа. Для упрощения расчетов, связанных с применением формулы составлена

Локальная теорема Лапласа.

Для упрощения расчетов, связанных
с применением формулы
составлена таблица значений

функции .
Пользуясь этой таблицей, необходимо иметь в виду свойства функции :
1. Функция является четной, т.е. .
2. Функция — монотонно убывающая при положительных
значениях х, причем при
(Практически можно считать, что уже при х > 5 ).
Теорему Муавра-Лапласа применяют при n∙p∙q ≥ 10.
Слайд 28

Локальная теорема Лапласа. Пример. Вероятность выхода из строя кодового замка в

Локальная теорема Лапласа.

Пример. Вероятность выхода из строя кодового замка в течение

месяца равна 2%. Какова вероятность того, что в партии из 600 замков, установленных фирмой, 20 замков выйдут из строя в течение месяца.
Решение. По условию n=600, m=20, p=0.02, q=0.98. Нужно найти Р600(20). n∙p∙q=600∙0.02∙0.98=11.76, следовательно, локальную теорему Лапласа можно применять.
;
;
по таблице найдем ;
.
Слайд 29

( npq=64, x=0, φ(0) ≈ 0,3989, ) Локальная теорема Лапласа. Задача.

( npq=64, x=0, φ(0) ≈ 0,3989, )

Локальная теорема Лапласа.

Задача. Найти

вероятность того, что событие А наступит ровно 80 раз в 400 испытаниях, если вероятность появления этого события в каждом испытании равна 0,2.
Задача. Вероятность поражения мишени стрелком при одном выстреле р = 0,75. Найти вероятность того, что при 10 выстрелах стрелок поразит мишень 8 раз.

( npq=1.875, x=0.36, φ(0.36) ≈ 0,3739, )

Если решать эту задачу с помощью формулы Бернулли, то результат будет несколько иным: Р10(8) ≈ 0,282. Такое расхождение ответов объясняется тем, что в настоящем примере n имеет малое значение (формула Лапласа дает достаточно хорошие приближения лишь при достаточно больших значениях n).

Слайд 30

Локальная теорема Лапласа. npq = 400 ∙ 0,8∙ (1—0,8) = 64

Локальная теорема Лапласа.

npq = 400 ∙ 0,8∙ (1—0,8) = 64 >

10, следовательно можно применять локальную формулу Муавра—Лапласа.
;
;
По таблице найдем ;
.

Пример. В некоторой местности из каждых 100 семей 80 имеют холодильники. Найти вероятность того, что из 400 семей 300 имеют холодильники.
Решение. Вероятность того, что семья имеет холодильник, равна
р = 80/100 = 0,8; n = 400, m = 300, q = 0,2.

Слайд 31

Вероятность поражения мишени стрелком при одном выстреле равна 0,8 Найти вероятность

Вероятность поражения мишени стрелком при одном выстреле равна 0,8 Найти вероятность

того, что при 100 выстрелах стрелок поразит мишень ровно 75 раз. Найти наивероятнейшее число попаданий в цель.
Найти вероятность того, что если бросить монету 200 раз, то орел выпадет 110 раз.
На заводе изготавливается в среднем 80% деталей отличного качества. За час было изготовлено 500 деталей. Найти вероятность того, что среди них ровно 300 деталей отличного качества.

Локальная теорема Лапласа.

Слайд 32

Локальная теорема Лапласа. Пусть в условиях предыдущего примера необходимо найти вероятность

Локальная теорема Лапласа.

Пусть в условиях предыдущего примера необходимо найти вероятность того,

что от 300 до 360 семей (включительно) имеют холодильники. В этом случае по теореме сложения вероятность искомого события:
В принципе вычислить каждое слагаемое можно по локальной формуле Муавра—Лапласа, но большое количество слагаемых делает расчет весьма громоздким. В таких случаях используется интегральная теорема Лапласа.
Слайд 33

Независимые повторные испытания. Интегральная теорема Лапласа

Независимые повторные испытания.

Интегральная теорема Лапласа

Слайд 34

Интегральная теорема Лапласа Интегральная теорема Муавра—Лапласа. Если вероятность р наступления события

Интегральная теорема Лапласа

Интегральная теорема Муавра—Лапласа. Если вероятность р наступления события А

в каждом испытании постоянна и отлична от 0 и 1, то вероятность того, что число m наступления события А в n независимых испытаниях заключено в пределах от а до b (включительно), при достаточно большом числе n приближенно равна
где
Слайд 35

Интегральная теорема Лапласа Функция Ф(х) называется функцией Лапласа. Свойства функции Ф(х):

Интегральная теорема Лапласа

Функция Ф(х) называется функцией Лапласа.
Свойства функции Ф(х):
Функция Ф(х) нечетная,

т.е. Ф(-х) = - Ф(х).
Функция Ф(х) монотонно возрастающая, причем при
(практически можно считать, что уже при х > 5 Ф(х) ≈ 0,5).

Интегральную теорему Лапласа применяют при n∙p >10.
Для функции Лапласа также имеются статистико-математические таблицы.

Слайд 36

Интегральная теорема Лапласа Пример. Пусть в условиях предыдущего примера необходимо найти

Интегральная теорема Лапласа

Пример. Пусть в условиях предыдущего примера необходимо найти вероятность

того, что от 300 до 360 семей (включительно) имеют холодильники.
Решение. р = 80/100 = 0,8; n = 400, q = 0,2, a = 300, b = 360.
np = 0.8 ∙ 400 = 320 > 10, значит, можно применить интегральную теорему Лапласа.
; .
Ф(-2,5)= -Ф(2,5) ≈ -0,4938, Ф(5) ≈ 0,499997;
.
Ответ: вероятность того, что от 300 до 360 семей (включительно) имеют холодильники равна 0,993793.
Слайд 37

Интегральная теорема Лапласа Пример. Найти вероятность того, что среди 1000 новорожденных

Интегральная теорема Лапласа

Пример. Найти вероятность того, что среди 1000 новорожденных детей

будет:
не менее половины;
менее половины.
Принять, что вероятность рождения мальчика равна 0,51.

< 1000)=0,2643

Слайд 38

Интегральная теорема Лапласа Домашнее задание: При скрещивании двух сортов люпина во

Интегральная теорема Лапласа

Домашнее задание:
При скрещивании двух сортов люпина во втором поколении

ожидаемым отношением алкалоидных растений к безалкалоидным является отношение 9:7. Найти вероятность того, что среди полученных 150 гибридных растений половина растений будут алкалоидными? ( р = 9/16 ≈ 0,5625; Р150(75) ≈ 0,02 )
При уборке картофеля повреждается в среднем 10% клубней. Найти вероятность того, что в случайной выборке из 200 клубней повреждено от 15 до 50 клубней. ( Р200(15 ≤ m ≤ 50) ≈ 0,0881 )
Слайд 39

Независимые повторные испытания. Формула Пуассона.

Независимые повторные испытания.

Формула Пуассона.

Слайд 40

Формула Пуассона. Если число независимых испытаний n достаточно велико, а вероятность

Формула Пуассона.

Если число независимых испытаний n достаточно велико, а вероятность появления

события в каждом испытании отлична от 0 и 1 и мала (p – близка к 0), так что n∙p ≤ 10 , то для вычисления вероятности появления события k раз применяют формулу Пуассона.

Пуассон Симеон
(21.06.1781 - 25.04.1840) Французский учёный, член Парижской АН, почётный член Петербургской АН.
Труды Пуассона относятся к теоретической и небесной механике, математике и математической физике.

Слайд 41

Формула Пуассона. Теорема. Если вероятность p наступления события А в каждом

Формула Пуассона.

Теорема. Если вероятность p наступления события А в каждом испытании

постоянно близка к нулю, число независимых испытаний n достаточно велико, то вероятность того, что в n независимых испытаниях событие А наступит m раз приближенно равна
где
Формулу Пуассона можно применять при λ ≤ 10.
Существуют статистико-математические таблицы для распределения Пуассона.
Слайд 42

Формула Пуассона. Пример. На факультете насчитывается 1825 студентов. Какова вероятность того,

Формула Пуассона.

Пример. На факультете насчитывается 1825 студентов. Какова вероятность того, что

1 сентября является днем рождения одновременно четырех студентов факультета?
Решение. Вероятность того, что день рождения студента 1 сентября, равна р = 1/365. Так как р = 1/365 — мала, n = 1825 — велико и
λ = nр = 1825 • (1/365 ) = 5 < 10, то применяем формулу Пуассона:
По таблицам можно точнее и быстрее найти Р(m,λ). Так для данного примера P1825(4) = P(m, λ) = P(4,5) ≈ 0.17547.
Ответ: вероятность того, что 1 сентября является днем рождения одновременно четырех студентов факультета равна 0,17547.
Слайд 43

Формула Пуассона. Задача 1. Некоторое электронное устройство выходит из строя, если

Формула Пуассона.

Задача 1. Некоторое электронное устройство выходит из строя, если откажет

определенная микросхема. Вероятность ее отказа в течение 1 ч работы устройства равна 0,004. Какова вероятность того, что за 100 ч работы устройства придется пять раз менять микросхему?
Задача 2. Телефонный коммутатор обслуживает 2000 абонентов. Для каждого абонента вероятность позвонить в течение часа равна 0,0025. Найти вероятность того, что в течение часа позвонят на коммутатор:
а) три абонента;
б) не менее четырех абонентов.

(Р1000(5) ≈ 0,1563)

( Р2000(3) ≈ 0,1404 )

Слайд 44

Независимые повторные испытания. Схема. Таблица для Таблица для φТаблица для φ(Таблица для φ(x) Таблица функции Пуассона

Независимые повторные испытания. Схема.

Таблица для Таблица для φТаблица для φ(Таблица для

φ(x)
Таблица функции Пуассона